摘要： 如何在保持产品高性能的前提下，有效降低产品的开发时间和成本，是当前汽车零部件产品开发过程中最为关键的问题。在重型卡车空滤产品的开发过程中，为了满足压力损失和灰尘分离效率的要求，多轮次的CAE仿真和设计更改是产品开发时间长的主要原因。本文论述的重型汽车空气进气系统的开发，使用了内部创新的工程4.0的产品开发流程，将高级的仿真优化技术应用于产品开发的开端，通过优化的结果给产品设计提供最优化合理的设计方案，减少了设计更改和CAE仿真的轮次，在保证产品性能的前提下，明显减少产品开发的时间和成本，与传统的产品开发流程相比，产品开发时间明显减少。
关键词： 工程4.0； 产品开发流程； 高级仿真优化技术； 空气进气系统
伴随现代汽车工业的快速发展，对汽车零部件的开发提出了更高的考验。如何在保持当前产品高性能的前提下，有效降低产品的开发时间和成本，就成了目前最为关键的问题。为此内部研究创建了工程4.0（Engineering 4.0）的全新产品开发流程，将当前行业先进的高级仿真优化技术融合到传统的产品开发流程当中，有效缩短了产品开发时间，降低了产品开发的成本。
在重型卡车空滤产品的开发过程中，压力损失和灰尘分离效率通常是必须要满足的目标。一般压力损失越小，分离效率也越低。如何平衡压力损失和分离效率之间的平衡，是产品开发的关键。
将工程4.0产品开发流程应用到重型卡车空滤产品开发中，能快速找到最合理的产品设计方案，保证压力损失和分离效率的前提下，降低了产品开发时间。为了与传统的重型汽车空气进气系统产品开发做对比，选择了一款开发过的产品最为基准项目。
1 工程4.0产品开发流程概述
工程4.0的产品开发流程更加深入的融合了虚拟工程和自动化技术，使产品的开发周期和成本得到降低，提高了产品开发的效率和灵活性。工程4.0的产品开发流程与传统的产品开发流程存在非常大的区别。
1.1 传统产品开发流程
图1 传统产品开发流程
图1为传统的产品开发流程。在传统的产品开发流程中，设计工程师首先会根据客户的要求，设计出符合客户边界要求以及满足生产可行性的空气进气系统几何模型。为了验证产品设计是否满足客户的压力损失以及灰尘分离性能要求，CAE仿真会对产品性能进行数值模拟，如果性能达到客户要求，会根据产品设计制作样件，通过测试来验证是否满足客户的性能要求。如果CAE仿真的结果不能满足客户的性能要求，就需要对产品设计进行更改，更改完成之后再进行CAE仿真验证，直到满足客户的性能要求为止。
如果客户的性能要求特别高，或者设计工程师不具备非常深厚的空气进气系统经验积累，就需要进行反复的产品设计与CAE仿真验证的迭代，使得产品开发时间比较长。而对于客户性能要求一般的产品，又往往会发生初始的产品设计在性能上远高于客户要求的过设计现象，从而造成产品的成本过高。
1.2 工程4.0产品开发流程
图2 工程4.0全新产品开发流程
图2是工程4.0的产品开发流程。在工程4.0的全新产品开发流程中，将仿真优化工具进行了重新定位，将传统的产品开发流程进行了系统性的优化。
高级仿真优化技术取代了传统的产品设计作为产品开发的开端。通过最初始的高级仿真优化的结果，可以给产品设计提供最合理的设计指导，这样设计出来的产品性能通常能满足客户的性能要求，而且产品的质量也能得到有效的控制，这样就节省了传统产品开发流程中设计和仿真反复迭代的过程，产品开发的时间和成本显著降低。
传统的CAE仿真被虚拟验证所取代，这个阶段还是利用CAE仿真来验证产品的性能，由于产品初始的设计非常合理，这个阶段往往不会产生产品的设计更改。
2 高级仿真优化
目前有多个先进的多目标优化软件平台，它们提供了与绝大多数主流CAD软件和CAE软件的接口，通过使分析流程自动化，软硬件资源使用最大化，有效的探索设计空间来加速产品的开发流程。
根据重型卡车空滤产品的结构特点以及性能要求，在工程4.0的产品开发流程中,高级仿真优化技术应用到产品设计中主要分为下面步骤。
1.1 简易的参数化模型
重型卡车空滤产品的压力损失和灰尘预分离效率性能是由其内壁面直接决定的，因此需要对内壁面进行精度非常高的参数化优化。
为了给优化软件提供模型输入，首先会设计一个简易的产品内壁面的参数化模型。通过控制所需参数的变化范围来实现产品内壁面形状的变化。
空气进气系统的入口和出口的位置和形状尺寸一般是固定的，所以这两个结构不进行参数化建模。空气进气系统的安全滤芯大多数采用无纺布材料，其对压力损失和灰尘分离效率基本没有影响，所以在建模过程中直接忽略。
图3为空气进气系统的参数化模型，模型中一些对性能影响不大的部件如管嘴等进行了省略。参数化模型总共包含了8个参数，确保这8个参数能够控制整个模型内核的变化。
图3 参数化模型
图4 参数列表
图4为参数列表。为了能精确控制参数化模型在优化软件中的变化，必须要计算控制参数的变化范围，如表1所示。计算参数变化范围的时候，必须要考虑客户的边界条件，以及最终量产件产品生产的可行性。
参数 |
当前值 |
最小值 |
最大值 |
P01 |
160 |
145 |
165 |
P02 |
500 |
460 |
500 |
P03 |
100 |
55 |
150 |
P04 |
32 |
32 |
48 |
P05 |
300 |
200 |
300 |
P06 |
100 |
100 |
200 |
P07 |
70 |
10 |
75 |
P08 |
80 |
80 |
130 |
表1 参数变化范围示例
2.1 定义优化目标
优化目标要根据产品的性能要求来定义。本重型卡车空滤的要求是压力损失小于2200 Pa，灰尘预分离效率高于80%。
在优化过程中定义压力损失和灰尘预分离效率两个优化目标量。由于参数化模型与最终产品设计有所区别，因此考虑一定的余量，定义压力损失的优化目标为最接近2000 Pa，为此单独定义压力损失的约束为小于2000 Pa。灰尘预分离效率的优化目标定为最大化。图5为优化目标。
图5 优化目标
2.2 多目标优化流程搭建
图6是多目标优化平台的工作流程图。在优化迭代过程中，CAD软件根据参数变化提供更新的几何模型，生成的模型会通过CAE软件进行来计算相应的目标值。
图6 多目标优化平台工作流
在重型卡车空滤产品的开发中，压力损失和灰尘预分离效率的分析都属于CFD分析，所以在本次优化流程中，只调用一个CAE软件。但是由于压力损失和灰尘预分离效率的计算网格尺度，模型设置都不同，所以CAE软件会被调用两次。图7为搭建完成的优化流程。
图7搭建完成的优化流程
2.3 选择优化结果,开始细节设计
本次多目标优化设置的求解数为200个，最终的优化过程统计如下图8所示。
图8 优化过程统计
总共的优化分析时间为2天18小时。200个优化分析中有33个出错，主要原因是8个参数一起发生变化时，CAD生成模型的错误。有130个优化是不可行的，原因是这130个优化过程中模型的压力损失值不满足小于2000 Pa的约束条件，最终有37个优化完全满足约束条件。
图9压力损失与灰尘预分离效率关系图
在满足可行性的37个优化模型中，根据压力损失和分离效率的关系图，选择最优的优化结果。图9为压力损失与灰尘预分离效率的关系图。Design ID 142和Design ID 149为分离效率最高的两个设计， Design ID 149压力损失为1912 Pa，Design ID 142压力损失为1994 Pa，两者相差不大，所以最终选择灰尘预分离效率最高的Design ID 142为最优的设计结果。
优化过程中每个Design ID对应的几何参数和几何模型都可以显示出来。图10为Design ID 142对应的参数。
图10最优设计对应的几何参数
设计工程师便可以根据选中的几何模型作为产品的内壁面进行产品壁厚设计，以及考虑生产和工艺可行性等各种细节设计。图11为细节设计完成后的产品图。
图11 细节设计完成后的产品
由于设计的过程中使用的是优化后的内壁面，所以产品设计完成后的性能是符合预期的，也避免了传统产品开发过程中由于优化性能产生的多次仿真优化，从而降低了产品的开发时间。
3 虚拟验证
在几何模型完成详细设计之后，由于增加了更多的细节，考虑了生产、工艺的可行性，因此详细设计模型的内壁面跟高级优化中最优设计Design ID 142的设计是有一定区别的，这时候就需要进行虚拟验证，来确保产品性能的可靠。虚拟验证类似于传统的CAE分析，需要将详细的产品设计进行前处理，然后进行CAE仿真计算。
图12 虚拟验证的结果
为此进行了两次CFD计算，图12显示的是压力损失分析中速度流线的结果以及灰尘预分离分析中颗粒分离的结果。
虚拟验证的结果如表2所述。虚拟验证的结果跟高级优化的结果偏差不大，符合期望。
指标 |
高级优化结果 |
虚拟验证结果 |
|
压力损失 |
1994 Pa |
1950 Pa |
|
预分离效率 |
86.0% |
85.1% |
|
表2 虚拟验证跟高级优化的结果对比
4 物理验证
虚拟验证的结果表明产品的性能满足要求，接下来就需要制作样件，进行物理验证。图13为样件进行灰尘预分离测试的图片。
图13 灰尘预分离测试
物理验证的结果如图8所示，压力损失为1906Pa，分离效率为84.5%，满足性能要求。物理验证的结果跟虚拟验证的结果有一定偏差，主要是由详细设计阶段模型的细化引起的。
5 工程4.0产品的优势对比
将最终设计完成的重型卡车空滤产品的性能和开发时间与传统的产品开发流程做了对比。
5.1 性能对比
对比显示，根据工程4.0流程开发的重型卡车空滤的压力损失比传统的开发流程降低了大约150 Pa，灰尘预分离效率提升了大约8%。图14为压力损失的对比图，图15为预分离效率的对比图。
图14 压力损失对比
图15 预分离效率对比
5.2 产品开发时间对比
对于重型卡车空滤的开发，应用工程4.0的产品开发流程，产品开发时间大大减少。
图16 产品开发时间对比
图16为产品开发时间对比图。在传统产品开发流程中，反复的CAE分析和几何模型修改是开发时间长的主要原因。本重型卡车空滤产品，使用传统的开发流程，大约做了4次模型修改，产品开发时间大概为1个月。使用工程4.0的产品开发流程，省去了CAE分析和几何模型修改反复迭代的时间，而且能把自动化的高级优化充分利用硬件、软件资源在周末进行计算，使得产品开发时间减少为一周左右。
6 展望及结论
在工程4.0的开发流程中，高级仿真优化技术扮演了非常关键的角色，而精准的参数化模型是开发流程的基础。
通过对基准项目中重型卡车空滤产品开发过程的研究，工程4.0的产品开发流程，具有非常大的优势，可以在确保产品性能的前提下，有效缩短产品开发时间。
目前工程4.0产品开发流程已经能够在重型卡车空滤产品的开发过程中熟练应用，正在向其它的产品进行推广。
论文第一作者简介：
李玉成（1985-），男，工学硕士，就职单位曼胡默尔滤清器（上海）有限公司，职位仿真与集成开发主管，专业方向为发动机燃烧与控制、结构仿真与优化，产品集成开发。